手机控制型便携经颅直流电刺激器的设计与实现

邵碧欣，朱晓琪，李尤君，郑良，李晨曦，王珏

1.西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，神经功能信息学与康复工程民政部重点实验室，生命科学与技术学院，健康与康复科学研究所，陕西西安市710049；2.国家医疗保健器具工程技术研究中心，陕西西安市710049

目前，阿尔茨海默病(Alzheimer "s disease,AD)等神经类疾病的发病率有逐渐增高的趋势[1-2]。经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)作为一种无创脑刺激技术[3]，可以通过经颅低强度电流诱导和调节谷氨酸能神经元可塑性[4-5]，对AD的治疗效果显著，得到广泛应用[6-8]。

目前，国内还没有专业的经颅直流电刺激仪器，临床试验主要使用德国NeuroConn公司研发的DCSTⅠMULATOR系列产品和美国Soterix公司的tDCS1×1等产品[9]，二者都存在不便携带、不能保存刺激信息、价格昂贵等缺点。这两家公司联合开发了一款用于大规模临床试验或家庭应用的便携式tDCS MOBⅠLE和固定电极装置，但刺激参数固定，只能通过连接电脑调节参数，不具有过流保护和阻抗检测功能，且价格昂贵。

本研究设计并实现一种手机控制的低功耗、便携式的经颅直流电刺激器，通过测试，刺激器和手机控制软件的功能和性能达到设计要求。

1 总体设计

根据人类tDCS安全标准，tDCS刺激电流的合适强度为1～2 mA，刺激时间不超过30 min[10-12]，结合tDCS临床试验和患者家庭使用需求，本设计实现以下功能：输出恒定、低强度(0.4～2 mA)的直流电；阳极刺激、阴极刺激、伪刺激三种刺激模式[13]；智能手机能够设置刺激电流强度、刺激时间、渐入渐出时间、刺激模式等参数，检测电极脱落，并可终止刺激；刺激过程中，手机实时显示刺激状态，刺激结束后保存刺激信息；过流保护功能和电量检测功能。

经颅直流电刺激器分为刺激器和控制系统两大部分(图1)。用户使用智能手机与刺激器交互，设置刺激参数；手机通过蓝牙将参数信息发送至微处理器，微处理器控制刺激器输出符合参数要求的直流电流，同时检测刺激器在刺激过程中的状态信息，并通过蓝牙反馈至手机，刺激器则通过刺激电极提供刺激。

2 硬件

图1 便携式经颅直流电刺激器的总体设计

硬件设计的目标是实现可调恒定的电流输出。使用tDCS时，人头部阻抗约10～15 kΩ[14]，需实现的刺激电流0.4～2 mA，所以至少需要30Ⅴ刺激电压。本项目选用36Ⅴ刺激电压。为了实现简易性和便携性，采用9Ⅴ可充电电池为电路供电，利用升压芯片MC34063，实现9Ⅴ到36Ⅴ升压[15-16]，作为刺激电压。利用稳压芯片TL783接9Ⅴ电源，实现5Ⅴ和3.3Ⅴ稳压，分别为场效应管2N7000门极稳压以及单片机提供电源。再利用可调稳压芯片TL431实现效应管源极电压稳定且可调[17]，因此场效应管源极与门极的电压差稳定可调。由于场效应管在放大区的转移特性，可实现场效应管输出电流恒定且可调[18]。总之，恒流电路总体设计为：通过两个稳压器实现场效应管门极电压恒定、源极电压恒定且可调，实现刺激电流的恒定和可调(图 2)。

刺激器外围电路设计了阻抗检测电路和过流保护电路，以保证刺激的有效性和安全性。硬件电路通过测试后印制电路板制板，提升硬件电路的稳定性，并保证系统的便携性。

3 控制系统

控制系统包括硬件下位机微控制器(Microcontroller Unit,MCU)的设计和手机安卓软件的设计。

MCU采用MSP430F149作为控制芯片[19]，实现的功能包括刺激信息显示、定时器、过流保护、蓝牙收发数据等。刺激信息显示采用有机发光二极管显示屏[20]，通过串行外设接口通信[21]，显示当前的刺激电流、接触阻抗、刺激时间等信息。定时器使用外部晶振产生的精确时间确定刺激时间，并为蓝牙通信提供时钟信号。过流保护通过MCU的模数转换器(Analogto-Digital Converter,ADC)实现，通过在刺激电路中串联较小的电阻进行分压，并将分压值通过ADC端口输入MCU，计算当前刺激电流，若电流超过设定阈值，则驱动继电器断开刺激电路。阻抗检测也通过ADC模块实现，用ADC的另一个端口采样刺激电压，刺激电压与刺激电流的比值为当前接触阻抗，若该值大于阈值，则关断刺激电路。蓝牙通信通过低功耗蓝牙芯片HC06实现[22]，接收手机软件的控制信号，并将MCU的数据信息发送至手机。

图2 硬件主要模块电路图

手机安卓软件是刺激器控制模块的核心，实现的功能为设定刺激参数、检测电极与皮肤的连接质量、显示实际刺激参数和保存刺激信息等。软件运行中的主线程为主界面活动，完成刺激电流和接触阻抗波形图的绘制、刺激状态的显示，以及数据的SD卡存储等功能；蓝牙通信为独立于主线程以外的子线程，在后台自行完成蓝牙连接，并为主界面的活动提供数据来源[23-24]。

用户输入tDCS参数后，按下刺激开始按钮即可。原理是手机软件通过蓝牙将信息发送到MCU的蓝牙端，MCU从蓝牙端读取刺激参数，并通过输出端口控制刺激电路的刺激状态，从而实现手机软件控制刺激电路。手机软件涉及四个界面：①主界面，包含倒计时刺激控制和电流、阻抗的实时显示；②刺激参数设置界面；③蓝牙连接界面；④历史数据查看界面。

单片机和手机蓝牙之间传输数据的通信协议设计，手机到MCU的控制信号(如刺激开始、停止等控制信号，刺激时间、刺激电流等数据信号)使用8位2进制数据表示，MCU到手机的数据(采集到的实际电流值、接触阻抗值、刺激时间等)使用3字节数据包表示，保证传输的准确性。控制模块可实现刺激状态的多源控制[25]、刺激信息的实时显示等功能(图3)。

图3 控制模块设计原理图

组合以上两个模块并调整各模块执行时序，通过3D打印刺激器的外壳，实现整体功能。最终的刺激器及其配套软件的实物图如图4。各模块执行时序如下：打开刺激器并连接刺激器蓝牙和手机蓝牙，手机软件设定刺激参数，刺激电路按照设置参数输出刺激，刺激过程中MCU监控刺激状态并将刺激信息发送到手机软件实时显示；达到设定的刺激时间后断开刺激电路电源，停止刺激并报告手机软件以保存刺激信息；出现刺激电流过大等异常情况时MCU自动发出控制信号，切断刺激电路电源停止刺激并报警。

4 功能测试

硬件部分完成刺激器输出电流测试、刺激器允许负载测试、刺激信息采集测试、定时器功能测试等，控制软件部分完成设备连接测试、电极脱落测试、刺激模式测试等。测试过程使用接近真实头部阻抗的10 kΩ电阻模拟人脑颅骨阻抗[26-27]，采用数字万用表电流档测量通过电阻的电流，并在控制软件和示波器上分别观察刺激电流波形，对比分析软件采集值与实际测量值的误差。经过测试，本设计实现的低功耗、便携式经颅直流电刺激器能够正常执行设定时序，手机软件能够正常完成设备连接，检测电极脱落状态，并控制电路输出与预期相符的刺激电流。见表1。

图4 刺激器及配套软件的实物图

表1 tDCS各模块功能测试结果

5 讨论

本研究设计并实现了一种手机控制的低功耗、便携式经颅直流电刺激器。实现的主要功能有输出恒定刺激电流、刺激参数设置、刺激参数实时显示并保存、过流保护等。

相较目前市场上的tDCS产品，本研究设计的刺激器具有以下特点：①手机控制刺激器的运行，刺激参数设置灵活，使用简单方便，同时手机控制软件可以实时监测刺激器的运行状态，还可保存刺激信息，为下一步临床治疗提供参考；②刺激器输出电流精度高，阻抗检测与过流保护功能保证了治疗的有效性与安全性，且可输出阳极刺激、阴极刺激和伪刺激三种刺激模式，可满足规模化临床试验和家庭治疗使用；③刺激器有体积小、低功耗、便携、低成本的优点。

综上所述，本刺激器实现了预期的设定目标，能够实现大规模生产并且面向家庭使用，降低治疗成本，提高治疗效果，使更多AD患者享受更好的康复治疗与护理。